變軌距動車組軸箱軸承選擇及優化研究

魏家麒，向 琴，劉 旗，喬青峰

（1. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111；2. 洛陽軸承研究所有限公司，河南洛陽 471039）

1 研究背景

由于不同國家和地區的鐵路軌距存在差異，傳統動車組無法實現不同軌距之間的無障礙通行，這成為制約動車組跨國互聯互通運營的重要問題。軸箱軸承是變軌距動車組轉向架技術的關鍵點之一，變軌距動車組軸箱軸承面臨著全新的承載形式、特殊的接口形式與復雜的運用條件等技術難點。本文結合國內某高速變軌距動車組轉向架，就變軌距轉向架軸箱軸承的技術難點、設計分析和試驗驗證等進行系統闡述。軸箱軸承連接車輪滑移裝置與鎖緊機構，承擔軸箱垂向載荷，傳遞滑移裝置與鎖緊機構之間的橫向載荷，并能夠隨滑移裝置移動，其構成如圖1所示。

2 技術難點分析

根據上述變軌機構的結構特點，變軌距軸箱軸承主要面臨橫向載荷大、垂向載荷偏置、軸承安裝座與車軸之間存在間隙等幾個關鍵問題。

2.1 軸向載荷

在傳統輪對結構中，輪對兩側軸箱軸承共同承擔輪對合成軸向載荷，如圖2所示，即輪軌橫向載荷的矢量和：

式（1）中，H1為增載側軸箱軸承軸向載荷；H2為減載側軸箱軸承軸向載荷；Y1為增載側輪軌橫向力；Y2為減載側輪軌橫向力。

對于變軌距轉向架輪對結構，車輪軸向載荷需要通過軸箱軸承，經鎖緊機構傳遞給軸箱，進而由軸箱分別傳遞到車軸和一系定位裝置，所以變軌距轉向架用軸箱軸承分別承擔對應車輪的輪軌橫向力，如圖3、圖 4所示，其軸向荷載與輪軌橫向力關系式見式（2）、式 （3）：

根據動車組多體動力學模型計算結果，對于7 000 m半徑曲線，考慮輪軸0.25 mm以下縱向間隙，0.45 mm以下橫向間隙及3 m/rad以下旋轉間隙，在以武廣客運專線軌道譜為激勵的情況下，變軌距轉向架各速度等級最大輪軌橫向力為59 kN，發生在4位輪對上，如圖 5 所示。

2.2 徑向載荷偏置

不同軌距軸箱軸承受力情況如圖6所示，在寬軌狀態下軸箱軸承隨車輪滑移裝置向外移動，軸箱徑向載荷集中在軸箱軸承中心內側；在窄軌狀態下軸箱軸承隨車輪滑移裝置向內移動，軸箱徑向載荷集中在軸箱軸承中心外側。2個工況下軸箱軸承均存在偏載。

對于雙列滾子軸承，徑向載荷偏置引起滾子承載不均衡，參考一般動車組軸箱軸承，滾子承載跨距約75 mm、偏載21.75 mm（ 軌距按1 435～1 520 mm變化）情況下徑向載荷偏載比例為57%，相對于無偏載工況壽命縮短40%。

2.3 軸承節徑偏大

由于變軌距轉向架軸承安裝座直徑偏大，導致軸箱軸承節徑達到230 mm，而國內既有高速動車組用軸箱軸承通常節徑都在185 mm左右。大節徑導致相同轉速下軸承滾子線速度相對較高，容易發生軸溫偏高的情況。

根據動車組軸箱軸承試驗溫度統計，在良好的潤滑、密封與承載條件下，軸箱軸承的最高溫度（20 ℃ 環境溫度）與速度因子Dmn大致呈線性相關，其中Dmn=轉速×軸承節徑。

根據一般軸箱軸承的耐受溫度，應確保軸承工作溫度不高于 120 ℃，Dmn值不超過 485 000 mm · 轉 /min。而根據變軌距轉向架的結構需求，軸箱軸承在400 km/h情況下的Dmn值將達到574 000 mm · 轉/min，對應軸溫預期在140 ℃。所以軸承設計上應采取一定措施以降低軸承運用溫度。

3 軸承承載分析

3.1 徑向承載

在徑向承載工況下，圓柱滾子軸承滾子正壓力之和等于軸承徑向載荷，而圓錐滾子軸承由于接觸角的存在，會由徑向載荷派生出軸向分力，如圖7所示。所以在其他參數相當的情況下，圓柱滾子軸承徑向承載能力更好。

3.2 軸向承載

圓錐滾子軸承主要依靠滾道面承擔，具有較高的軸向承載能力，且接觸角越大，滾道面能夠分擔的軸向載荷越大，一般圓錐滾子軸承的擋邊只承擔20%的軸向載荷。而圓柱滾子軸承的橫向載荷基本由擋邊承擔，同時由于軸向載荷對滾子產生附加力矩，容易引起滾子傾斜，所以軸向承載能力較弱，一般在軸向載荷與徑向載荷比例大于25%的情況下，不建議采用圓柱滾子軸承。

3.3 軸承轉速

在軸向載荷較小的情況下，圓柱滾子軸承母線更接近純滾動，并且母線正壓力載荷相對圓錐滾子軸承較小，一般滾子接觸載荷增加，潤滑性能會隨之降低，所以在高轉速情況下圓柱滾子軸承具有一定優勢，而圓錐滾子軸承在滾動中會產生矯正摩擦力矩，造成額外的滑動摩擦。但是在軸向載荷偏大的情況下，圓柱滾子軸承擋邊會發生劇烈地滑動摩擦，造成軸承產熱量急劇上升。

4 軸承結構形式、布置及優化

目前，高速動車組軸箱軸承通常采用自密封雙列圓錐滾子軸承或雙列圓柱滾子軸承。一般來說，從軸承結構及承載形式來分析，圓錐滾子軸承的內外圈滾道為圓錐面且滾子呈圓錐體，內外圈滾道及滾子的圓錐定點延長線相交于軸承中心延長線，從而保證滾子接觸母線上各點均進行相對滾動；圓柱滾子軸承內外圈滾道呈圓柱面，滾子呈圓柱體。

4.1 結構形式選擇

根據上述對變軌距轉向架的技術分析，軸箱軸承將受到較大的軸向載荷，理論上極端情況下甚至能達到徑向載荷的70%左右，在這種情況下對圓柱滾子軸承是極端不利的；考慮到偏載、線路、高轉速等應用工況，圓錐滾子軸承具有較好的軸向承載能力和高軸向載荷條件下的速度性能，工況適應性更優；雙列圓錐滾子軸承為單元化緊湊配置結構，整體強度高，易于安裝、拆卸和維護。所以，對于變軌距轉向架，雙列圓錐滾子軸承是較優選擇，其整體結構如圖8所示。

4.2 軸承滾子布置

考慮變軌距軸箱軸承長期處于偏載狀態，為提高軸承對偏載工況的適應性，在可能的范圍內增加軸承滾子滾道承載跨距，參考2.2章節中偏載情況對軸承壽命產生的影響，通過簡單的載荷分配評估，將軸承滾子滾道承載跨距增大到107 mm，可以將偏載比例降低到40%以下，壽命縮短比例僅為23%，在當前變軌距軸箱軸承載荷條件下能夠達到360萬 km以上。

4.3 軸承及潤滑優化

4.3.1 滾子母線優化

軸承滾子滾道承載跨距增加會增加軸承寬度，降低軸承整體剛度，需要對滾子母線進行優化，避免滾子邊緣產生應力集中。根據國內外設計經驗，滾子母線采用對數曲線修形，并通過有限元分析計算，對修形凸度進行優化。根據滾子滾道接觸應力分布情況，在25 μm凸度值范圍內軸承滾子最大接觸應力變化不大，應力水平在1 200 MPa以下；而較大的凸度修形更容易使軸承母線邊緣避免載荷，這對于避免前面提到的軸承加長后可能發生的變形所引起的應力集中是有好處的，并且可以增加軸承對外部載荷的適應能力，具有較高的安全儲備。考慮變軌距轉向架軸箱軸承復雜的工作環境，在應力水平及加工能力允許的條件下宜采用較大的25 μm凸度修形。

4.3.2 潤滑優化

鐵路軸承一般采用油潤滑或脂潤滑方式。油潤滑軸承由于潤滑油攪拌產熱較高，同時需要復雜的軸箱體密封及回油結構，并應定期進行潤滑油更換與檢查，這對于變軌距轉向架本身軸箱結構復雜的特點顯然是不適合的，所以宜采用免維護周期長的脂潤滑。

（1）潤滑脂選擇。目前廣泛運用的動車組軸箱軸承潤滑脂多以礦物潤滑油作為潤滑介質，鋰皂基作為稠化劑，再輔以其他添加劑。稠化劑吸附礦物油形成脂狀，在軸承內部分布，運用時潤滑脂受到擠壓剪切，礦物油析出，在滾子與滾道面之間形成油膜。良好的油膜分隔能夠有效減少滾子與滾道間的磨耗，緩和沖擊，降低產熱，提高軸承運用壽命。根據現有鐵路軸箱軸承潤滑脂性能參數對比，Shell Nerita 2858型潤滑脂基礎油黏度較低，回轉阻力相對較小，并且在高速動車組的試驗和運用中經過了充分驗證，所以采用Shell Nerita 2858型潤滑脂。

（2）潤滑脂填充。軸箱軸承潤滑脂需要達到一定的填充比例，才能保證在免維護周期中不會發生貧油的情況，但是對于轉速較高的軸承，潤滑脂填充量過大將會產生大量的攪拌熱。根據既有研究成果，300 km/h以上速度等級的軸箱軸承潤滑脂填充量容積比達到19%～21%，即可滿足軸承溫度和潤滑的需要，而現行的高速動車組軸箱軸承潤滑脂填充量一般為23%～25%。變軌距轉向架軸箱軸承本身有產熱偏大的風險，可根據既有經驗和類似軸承運用經驗采用較小的潤滑脂容積比例。

4.3.3 密封優化

參考當前高速動車組密封結構，根據密封的接觸程度可分為接觸式密封和非接觸式密封。考慮變軌距動車組軸箱軸承工作轉速高，免維護周期長，為兼顧密封性能和軸承溫升，可采用組合輕接觸式密封形式。如圖9所示，外密封由鋼制外骨架和橡膠硫化一體成型，過盈卡嵌在軸承外圈牙口上，帶有防雨罩4和密封唇1～密封唇3；內密封由鋼制內骨架折彎成型，過盈安裝在軸承擋油環上。密封唇1、密封唇3不接觸，將密封通道分割形成迷宮腔，密封唇2與內骨架存在0.05 mm過盈量的輕接觸，內外密封之間為小間隙、多唇口、多回路的迷宮式配合，能夠有效起到防水、防塵效果，同時避免潤滑脂泄露，保證免維護周期內可靠密封。

5 試驗驗證

由于變軌距轉向架軸箱軸承為全新研制的軸承結構，運用條件復雜，軸承結構特殊。對于軸承運用性能上存在的許多技術疑點，如軸承運用溫度、軸承安裝系統上存在的間隙等，很難通過理論分析得到確切的結論。需要通過臺架試驗進行必要的驗證。

5.1 試驗設備

為確保試驗滿足實際運用情況，在試驗臺徑向加載裝置上增加了變軌裝置，變軌裝置通過徑向動作的作動器實現在試驗過程中自動改變徑向加載位置，這樣就能夠在試驗中再現寬軌、準軌狀態下載荷工況的自動切換。試驗臺組成如圖10所示。

5.2 試驗結果

5.2.1 熱性能及耐久性

試驗軸承2套，依據TB/T 3017.1-2016《機車車輛軸承臺架試驗方法 第1 部分：軸箱滾動 軸承》（簡稱《TB/T 3017.1》）進行熱性能及耐久性試驗，模擬總里程120萬 km，試驗持續時間約4 000 h。負荷區溫度最高70 ℃（標準要求≤100 ℃），左右2個軸承的溫度差最高10 ℃（標準要求≤15 ℃）；軸承套圈及滾子在臺架試驗過程中未出現鱗狀脫落、卡住、發熱變色、掉塊等現象，保持架未出現斷裂、裂紋、變形、異常磨損等現象，潤滑脂未出現泄漏，顏色、氣味、外觀上未出現異常，軸承運轉性能正常，符合《TB/T 3017.1》要求。

5.2.2 極限性

依據試驗大綱，對軸承進行大載荷試驗和超轉試驗，大載荷試驗分為2個試驗循環：徑向載荷不變，軸向載荷增加1.5倍，10 min內升速0→440 km/h，勻速30 min，10 min內減速440→0 km/h，最高有效溫度為93℃；超轉試驗為正常載荷下10 min內升速0→600 km/h，保持1 min，10 min內減速600→0 km/h，溫度無明顯突變。試驗后軸承外觀檢查無異常，滿足《TB/T 3017.1》及試驗大綱要求。

5.2.3 密封性

依據《TB/T 3017.1》及試驗大綱，對軸承密封結構進行防水、防塵試驗，靜態/動態防水試驗后軸箱、軸承內部無過水痕跡；對防塵試驗后對粉塵顆粒和潤滑脂進行檢測分析，潤滑脂中不含有粉塵顆粒，符合《TB/T 3017.1》試驗大綱要求。

6 結論及建議

（1）考慮變軌距轉向架結構特點，以及軸承運用工況復雜、軸向載荷惡劣的情況，選用綜合承載能力更好、結構更為緊湊的雙列圓錐滾子軸承形式。

（2）根據軸承徑向載荷偏置對軸承壽命的影響分析，采用滾子滾道承載跨距增大的結構形式以延長軸承在徑向載荷偏置作用下的壽命。

（3）考慮在復雜工況下優化軸承滾子滾道應力分布，采用25 μm凸度修形方案。

（4）考慮變軌距轉向架軸箱軸承節徑線速度高、運轉熱偏大的特點，采用基礎油黏度更小、高速鐵路上運用業績更優的Shell Nerita 2858潤滑脂，并采用小容積比填充。

（5）綜合考慮軸承的密封與溫度需要，采用組合輕接觸密封形式。

（6）經過耐久性試驗、密封性試驗以及極限工況測試，證明軸承的標準工況性能滿足要求，同時具備短時間承受異常載荷工況和達到600 km/h速度的能力。